Получение и применение стали

Виды и марки стали

Сталь. Виды и марки стали. Их применение.

Сталь — это сплав железа и углерода с другими элементами, содержание углерода в нём не более 2,14%.

Наиболее общая характеристика — по химическому составу сталь различают:

углеродистую сталь (Fe – железо, C – углерод, Mn – марганец, Si — кремний, S – сера, P – фосфор). По содержанию углерода делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Углеродистая сталь предназначена для статически нагруженного инструмента.

легированную сталь — добавляются легирующие элементы: азот, бор, алюминий, углерод, фосфор, кобальт, кремний, ванадий, медь, молибден, марганец, титан, цирконий, хром, вольфрам, никель, ниобий.

По способу производства и содержанию примесей сталь различается:

сталь обыкновенного качества ( углерода менее 0,6%) — соответствует ГОСТ 14637, ГОСТ 380-94. Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6. Буквы «Ст» обозначают сталь обыкновенного качества, цифры указывают на номер маркировки в зависимости от механических свойств. Является наиболее дешёвой сталью, но уступает по другим качествам.

качественная сталь ( углеродистая или легированная ) — ГОСТ 1577, содержание углерода обозначается в сотых долях % — 08, 10, 25, 40, дополнительно может указываться степень раскисления и характер затвердевания. Качественная углеродистая сталь обладает высокой пластичностью и повышенной свариваемостью.

Низкоуглеродистые качественные конструкционные стали характеризуются невысокой прочностью и высокой пластичностью. Из листового проката стали 08, 10, 08кп изготавливают детали для холодной штамповки. Из сталей 15, 20 делают болты, винты, гайки, оси, крюки,шпильки и другие детали неответственного назначения.

Среднеуглеродистые качественные стали (ст 30, 35, 40, 45, 50, 55) используют после нормализации и поверхностной закалки для изготовления таких деталей, которые обладают высокой прочностью и вязкостью сердцевины (оси, винты, втулки и т. д.)

Стали 60 — стали 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью, упругими свойствами. Из них изготавливают крановые колёса, прокатные валки, клапаны компрессоров, пружины, рессоры и т.д.

высококачественная — сложный химический состав с пониженным содержанием фосфора и серы — по ГОСТу 19281.

Также сталь делится по применению:

а) строительная сталь — углеродистая обыкновенного качества. Обладает отличной свариваемостью. Цифра обозначает условный номер состава стали по ГОСТу. Чем больше условный номер, тем больше содержание углерода, тем выше прочность стали и ниже пластичность.

Ст0-3 — для вторичных элементов конструкций и неответственных деталей (настилы, перила, подкладка,шайбы)

Ст3 используют для несущих и ненесущих элементов сварных и несварных конструкций и деталей, которые работают при положительных температурах. ГОСТ 380-88.

Стандартом качества предусмотрена сталь с повышенным количеством марганца (Ст3Гсп/пс, ст5Гсп/пс).

б) конструкционная сталь — ГОСТ 1050

Углеродистые качественные конструкционные стали используются в машиностроении, для сварных, болтовых конструкций, для кровельных работ, для изготовления рельсов, железнодорожных колёс, валов, шестерен и других деталей грузоподъёмников.Ц ифры в маркировке означают содержание углерода в десятых долях процента.

Ст20 — малонагруженные детали, такие как валики, копиры, упоры,

Ст35 — испытывающие небольшие напряжения (оси, тяги, рычаги, диски, траверсы, валы),

Ст45 (ст40Х) — требующие повышенной прочности (валы, муфты, оси, зубчатые рейки)

Конструкционные легированные стали используют для гусениц тракторов, изготовления пружин, рессор, осей, валов, автомобильных деталей, деталей турбин и др.

в) инструментальная сталь — применяется для режущего инструмента, быстрорежущая сталь для холодного и горячего деформирования материла, для измерительных инструментов, на производство молотков, долот, стамесок, резцов, свёрлов, напильников, бритв, рашпилей.

У7, У8А (цифра- десятые доли процента по содержанию углерода). Углеродистые стали выпускают качественными и высококачественными. Буква «А» означает высококачественную углеродистую инструментальную сталь.

г) легированная сталь — универсальная сталь, содержащая специальную примесь. Содержание кремния более 0,5%, марганца более 1%. ГОСТ 19281-89. Если содержание легирующего элемента превышает 1 — 1,5%, то оно указывается цифрой после соответствующей буквы.

низколегированная сталь — где легирующих элементов до 2,5% (09Г2С, 10ХСНД, 18ХГТ). Низколегированную сталь можно использовать в условиях крайнего севера, от -70 град С. Низколегированную сталь отличает большая прочность за счёт более высокого предела текучести,что важно для ответственных конструкций.

среднелегированная (2,5 -10%),

высоколегированная (от 10 до 50%)

Сталь 09Г2С применяется для паровых котлов, аппаратов и ёмкостей, работающих под давлением и температурой от минус 70, до плюс 450град; её используют для ответственных листовых сварных конструкций в химическом и нефтяном машиностроении, судостроении.

Сталь 10ХСНД используют для сварных конструкций химического машиностроения, фасонных профилей в сдостроении, вагоностроении.

18ХГТ применяют для деталей, работающих на больших скоростях при высоком давлении и ударных нагрузках.

д) сталь особого назначения — сталь с особыми физическими свойствами. Она применяется в электротехничсеской промышленности и точном судостроении.

На свариваемость стали влияет степень её раскисления. По степени раскисления сталь классифицируется:

спокойная сталь (ст3сп) — полностью раскисляется с минимальным содержанием шлаком и неметаллических примесей,

полуспокойная сталь (ст3пс) — по характеристикам качества схожа со спокойной сталью,

кипящая сталь (08кп) — неокисленная сталь с высоким содержанием неметаллических примесей. ГОСТ 1577.

В зависимости от нормируемых характеристик, сталь подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5. Категории обозначают химический состав, механические свойства при растяжении, ударную вязкость)

Например, категория 1 — химический состав не нормируемый, категория 3 — нормируется ударная вязкость при температуре +20. Для марки ст0 не нормируется ни химический состав, ни предел текучести.

Виды стали

К сталям относятся все сплавы железа, содержание углерода в которых менее 2,14%.
В составе стальных сплавов также могут присутствовать другие химические элементы: марганец, фосфор, сера, кремний. Их применяют в качестве легирующих компонентов для обеспечения стали определенных свойств необходимых в тех или иных условиях эксплуатации.

1 Классификация сталей

Классификация и маркировка сталей зависят от процентного наличия дополнительных компонентов в сплаве и характеристик конструкционного материала.

Деление стальных сплавов на виды и присвоение им соответствующей маркировки осуществляется на основании:

1. Состава.
2. Структуры.
3. Методики изготовления.
4. Сферы использования.
5. Характера затвердевания и уровня раскисления.
6. Качественных характеристик.

Сталь является широко распространенным материалом, применяемым для различных промышленных нужд. Стальные сплавы отличаются прочностью (способностью переносить интенсивное напряжение), пластичностью (устойчивость материала к сильным деформациям ), вязкостью, упругостью, устойчивостью к холоду и жару.

Стальные элементы применяются как в промышленности, так и в бытовых и хозяйственных отраслях, и для каждой сферы применения существуют определенные сорта стальных сплавов. Важные для конкретной сферы применения свойства и характеристики материала достигаются путем обогащения сплава определенными химическими компонентами, наличие которых отражается в маркировке.

2 Классификация по химическому составу

Исходя из наличия в стальном сплаве определенных элементов выделяют два основных типа стали:

Углеродистые стали дополнительно классифицируются по процентному наличию углерода в составе сплава:

• малоуглеродистые стали (С менее 0,25%);
• среднеуглеродистые стали (С в пределах 0,25-0,60 %);
• высокоуглеродистые стали (С свыше 0,60%).

Легированные стали содержат дополнительные компоненты, влияющие на их физические характеристики, и делятся на подвиды зависимо от объема легатуры в составе:

• низколегированные (до 2,5% легатуры в составе);
• среднелегированные (2,5-10% дополнительных компонентов);
• высоколегированные (концентрация легатуры более 10%).

Стоит учитывать, концентрация углерода не влияет на степень легирования.

Содержание углерода не влияет на степень легирования. В случаях, когда доля марганца в составе стали более 1%, а кремния свыше 0,9 % их также относят к легирующим компонентам.

3 Классификация по микроструктуре

Классификация стали зависит не только от состава, но и от структуры материала, а также факторов, действовавших на нее в процессе производства (отливки, термообработки).

После отжига (нагревание стальной заготовки до пластичного состояния с последующим медленным охлаждением) сталь приобретает определенную структуру:

• доэвтектоидную (преобладание включений ферритов);
• эвтектоидную (замещение ферритов перлитами);
• заэвтектоидную (наличие в структуре вторичных карбидных включений);
• ледебуритную (наличие первичных карбидных включений);
• аустенитную;
• ферритную.

В зависимости от конечной микроструктуры сталь делят на 5 классов:

1. Перлитный – стали используемые в строительстве, изготовлении конструкционных материалов, производстве инструментов. К этому классу относятся низколегированные сплавы углеродистого типа.
2. Мартенситный – нержавейки, сплавы для производства инструментов и конструктивные стали высоколегированного типа.
3. Аустенитный – жароустойчивые и огнеупорные сплавы нержавеющих металлов.
4. Ферритный — сплавы с высоким содержанием хрома, нержавейки, жаропрочные стали.
5. Карбидный – высокоуглеродистые стали с карбидообразующими структурными элементами.

4 Классификация по способу производства

От способа изготовления стали зависит ее состав, структурные характеристики и физические параметры. По методике производства стальные сплавы подразделяют на:

1. Обыкновенные – среднеуглеродестый сплав выплавляемый в конвертерах и печах. Отливается в большинстве случаев крупнокалиберными слитками.Такие стали отличаются значительной ликвидацией и большим объемом неметаллических примесей. В раскатанном виде на ней заметны полосы.
2. Качественные – стали, которые плавятся в мартеновских печах в соответствии с установленными для состава, плавильного и разливочного процесса требованиями. В стали этого вида неметаллических примесей содержится существенно меньше, чем в рядовом сплаве, а серы и фосфора в составе не больге 0,04%.
3. Высококачественные – сплавы с многокомпонентным составом. Их плавят в печах уменьшенного тоннажа, контролируя минимальное наличие в ее составе фосфора и серы. Сплав отличается наивысшей чистотой и содержит минимум неметаллических компонентов.

5 Классификация по применению

Классификация сталей по назначению определяется физическими характеристиками стали и возможностью применения материала в той или иной сфере промышленности/производства. По такому критерию различают следующие классы сталей:

1. Строительная (1 класс) – углеродистый сплав обыкновенного качества, обработанный под давлением. В некоторых случаях материал дополнительно упрочняют путем закалки при прокатном нагреве.
2. Машиностроительная (2 класс) – изготавливается по методике интенсивной термообработки. При необходимости изготовления из машиностроительной стали малонагруженных деталей возможно изготовление машиностроительных сплавов рядового качества.
3. Инструментальная (3 класс) – сталь заэвтектоидной структуры, используется в производстве инструментов различных типов.
4. Сталь с особыми характеристиками(4 класс) – изготавливается в специфических условиях (вакуум, газ, электрошлак).

6 Классификация по степени раскисления и характеру затвердевания

Степень раскисления стали определяется наличием в сплаве, от которого также зависит характер отвердевания стального сплава. По этому критерию различают следующие типы сталей:

1. Спокойную – полное раскисление и минимизация насыщенности сплава газами (маркировка «сп»).
2. Кипящую – содержит газовые пузыри в слитках, завариваемые в процессе термообработки. Хуже поддается сварке и склонна к старению, деформируется под высокими (более 150-200С) и низкими (менее 0С) температурами (маркировка «кп»).
3. Полуспокойную – тип стали с усредненными между спокойным и кипящим сплавом свойствами (маркировка «пс»).

В некоторых случаях при маркировке стали, характер затвердевания и степень раскисления не указываются.

7 Классификация по качеству

В зависимости от качественных характеристик стали и возможности применения ее в той или иной промышленной сфере классификация сталей по качеству выглядит так:

1. Стали обыкновенного качества – углеродистые сплавы выплавленные в конвертерах или печах под воздействием кислорода. Отличаются низкой стоимостью и слабыми механическими параметрами в сравнении со сталями иных классов качества.
2. Качественные стали – углеродистые или легированные сплавы выплавляемые с соблюдением определенных требований к плавильному и отливному процессам, составу материала.
3. Высококачественные стали – плавятся в электропечах, отличаются относительной чистотой по неметаллическим примесям и газам, и соответственным улучшением эксплуатационных параметров.
4. Особо высококачественные стали – легированные сплавы, изготавливаются методом электрошлаковой переплавки, которая позволяет максимально очистить стальной сплав от оксидов и сульфидов.

Тема урока: «Сталь, её виды и свойства» (7 класс)

Как организовать дистанционное обучение во время карантина?

Помогает проект «Инфоурок»

Технология 7 класс

Тема урока: «Сталь, её виды и свойства».

Цели и задачи урока:

1.Ознакомить учащихся с видами и свойствами сталей

2. Научить распознавать маркировку сталей.

3.Воспитывать у учащихся бережное отношение к материалам и инструментам.

4.Способствовать развитию логического мышления.

Тип урока : Изучение нового материала. Время- 45 минут.

Методы обучения : фронтальный опрос, рассказ учителя, показ приёмов работы, демонстрация наглядных пособий.

Приветствие учащихся, контроль посещаемости, проверка готовности учащихся к уроку, сообщение темы и целей урока.

Повторение пройденного материала « Получение и применение чугуна».

Вопросы для повторения пройденного материала .

Что такое чугун?

Классификация и свойства чугуна .

Способы получения и область применения чугуна.

3) Изучение нового материала

План рассказа учителя:

Сталь. Виды сталей (углеродистые, легированные, конструкционные, инструментальные, специальные).

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном.

Сталь по химическому составу делится на две группы: углеродистую и легированную, по качеству — на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества, высококачественную и особовысококачественную.

Углеродистой сталью называется сплав железа с углеродом (содержание углерода до 2%) с примесями кремния, серы и фосфора, причем главной составляющей, определяющей свойства, является углерод.
Процентное содержание элементов в стали примерно следующее: Fe — до 99,0; С — 0,05-2,0; Si — 0,15-0,35; Mn — 0,3-0,8; S — до 0,06; P — до 0,07.
К недостаткам углеродистой стали относятся:

отсутствия сочетания прочности и твердости с пластичностью;

потеря твердости и режущей способности при нагревании до 200°C и потери прочности при высокой температуре;

низкая коррозионная устойчивость в среде электролита, в агрессивных средах, в атмосфере и при высоких температурах;

низкие электротехнические свойства;

высокий коэффициент теплового расширения;

увеличение веса изделий, удорожание их стоимости, усложнение проектирования вследствие невысокой прочности этой стали.

Легированной называется сталь, в которой наряду с обычными примесями имеются легированные элементы, резко улучшающие ее свойства: хром, вольфрам, никель, ванадий, молибден и др., а также кремний и марганец в большом количестве. Примеси вводятся в процессе плавки.
По химическому составу (ГОСТ 5200) легированная сталь делится на три группы:

низколегированная сталь — не более 2,5% примесей;

высоколегированная — свыше 10%.

Легированная сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали повышает долговечность изделий, экономит металл, увеличивает производительность, упрощает проектирование и потому в прогрессивной технике приобретает решающее значение.

Специальные стали – это сплавы на основе железа, имеющие особые свойства, обусловленные либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки.

Специальные стали могут быть и углеродистыми, но в большинстве случаев они содержат легирующие элементы.

В настоящее время нет единой классификации специальных сталей. Существует много признаков, по которым классифицируют стали, но часто они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.

Любому специалисту, имеющему дело с металлом, знакомо понятие «марки стали». Расшифровка маркировки стальных сплавов дает возможность получить представление об их химическом составе и физических характеристиках. Разобраться в данной маркировке, несмотря на ее кажущуюся сложность, достаточно просто – важно только знать, по какому принципу она составляется.

Обозначают сплав буквами и цифрами, по которым можно точно определить, какие химические элементы в нем содержатся и в каком количестве. Зная это, а также то, как каждый из таких элементов может влиять на готовый сплав, можно с высокой степенью вероятности определить, какие именно технические характеристики свойственны определенной марке стали.

О чем говорит маркировка сталей

Расшифровать марку стали довольно просто, необходимо только владеть определенными сведениями. Конструкционные стали, обладающие обыкновенным качеством и не содержащие легирующих элементов, маркируют буквосочетанием «Ст». По цифре, идущей после букв в названии марки, можно определить, сколько в таком сплаве углерода (исчисляется в десятых долях процента). За цифрами могут идти буквы «КП»: по ним становится ясно, что данный сплав не до конца прошел процесс раскисления в печи, соответственно, он относится к категории кипящего. Если название марки не содержит таких букв, то сталь соответствует категории спокойной.

Химический состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества

Прежде чем приступить к рассмотрению марок тех сталей, которые включают легирующие добавки, следует разобраться в том, как данные добавки обозначаются. Маркировка легированных сталей может включать такие буквенные обозначения:

Список используемых легирующих добавок

Как расшифровать маркировку сталей?

Чтобы расшифровка обозначения различных видов сталей не вызывала затруднений, следует хорошо знать, какими они бывают. Отдельные категории сталей имеют особенную маркировку. Их принято обозначать определенными буквами, что позволяет сразу понять и назначение рассматриваемого металла, и его ориентировочный состав. Рассмотрим некоторые из таких марок и разберемся в их обозначении.

Прочность — способность материала выдерживать внешнюю нагрузку без разрушения. Количественно это свойство характеризуется пределом прочности и пределом текучести;

предел прочности — механическое напряжение, при превышении которого образец разрушается;

предел текучести — механическое напряжение, при превышении которого образец продолжает удлиняться при отсутствии нагрузки;

пластичность — способность стали изменять форму под действием нагрузки и сохранять ее после снятия нагрузки. Количественно характеризуется углом загиба и относительным удлинением при растяжении;

ударная вязкость — способность стали противостоять динамическим нагрузкам. Количественно оценивается работой, необходимой для разрушения специального образца, отнесенной к площади его поперечного сечения;

твердость — способность стали сопротивляться проникновению в нее других твердых тел. Количественно определяется нагрузкой, отнесенной к площади отпечатка при вдавливании стального шарика (метод Бринелля) или алмазной пирамиды (метод Виккерса).

Плотность — масса вещества, заключенного в единичном объеме. Все металлы обладают высокой плотностью;

теплопроводность — способность передавать теплоту от более нагретых участков к менее нагретым;

электропроводность — способность пропускать электрический ток. Все металлы и их сплавы обладают высокой тепло- и электропроводностью.

Окисляемость — способность вещества соединяться с кислородом. Окисляемость усиливается с повышением температуры металла. Низкоуглеродистые стали под действием влажного воздуха или воды окисляются с образованием ржавчины — оксидов железа;

коррозионная стойкость — способность металла не окисляться и не вступать в химические реакции с окружающими веществами;
жаростойкость — способность стали не окисляться при высокой температуре и не образовывать окалины;

жаропрочность — способность стали сохранять свои прочностные свойства при высокой температуре.

Ковкость — способность стали принимать новую форму под действием внешних сил;

жидкотекучесть — способность стали в расплавленном состоянии заполнять узкие зазоры и пространства;

обрабатываемость резанием — свойство стали поддаваться механической обработке режущим инструментом;

свариваемость — способность стали образовывать высококачественное сварное соединение, не содержащее дефектов.

Влияние химических элементов на свойства сталей

В состав стали кроме железа и углерода входят и другие химические элементы, которые содержатся в ней в малых количествах из-за несовершенства технологии производства либо специально вводятся в нее для придания особых свойств. В последнем случае эти элементы называются легирующими. Все элементы в стали условно подразделяются на полезные и вредные.

1 .Каким основным свойством отличается сталь от чугуна?

3. Изделия из стали?

1. Повторить изученный материал (учебник по технологии для 7 класса стр . 73-77.), конспект в тетради.

Особенности производства стали

Сталь – это прочный материал и основной конструкционный материал для машиностроения. Он представляет сплав железа с углеродом, содержание которого в структуре составляет 0,01–2,14%. В состав также входят в незначительных количествах кремний, марганец и сера. Этот материал обладает исключительными механическими свойствами: твердостью и ковкостью, благодаря им он считается основным конструкционным материалом в машиностроении. Трудно представить, что могло бы заменить материал. Но активное развитие производство стали и других металлов. Из стали изготавливаются самые разнообразные изделия – от канцелярских скрепок до станин многотонных прессов и обшивки корпусов морских судов.

Процесс производства

Производится сталь плавкой. Исходным сырьем служат чугун, лом самой стали или чугуна, окатыши, флюсы и ферросплавы.

Сам чугун по природе – недостаточно твердый и хрупкий материал, поэтому имеет ограниченное применение.

Однако, он незаменим в качестве сырья для получения стали. Суть плавки состоит, в случае применения передельного чугуна, в снижении процентного содержания углерода в нем до требуемого уровня.

Выводятся не предусмотренные в конечной рецептуре примеси. Традиционный состав шихты представляет 55% чугуна и 45% стального лома (скрапа). Существует также рудный процесс, когда к компонентам добавляется рудный материал или скрап-процесс для переработки отходов машиностроительного производства.

Чтобы в процессе плавки примеси и углерод легче выводился из состава компонентов, они переводятся в газы и шлак. В первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом железо окисляется, образуя закись железа FeO.

Одновременно окисляются C, Si, Mn и P, при этом происходит отдача кислорода оксидом железа химически активным примесям. К массе шихты добавляют флюс для лучшего растворения металла: известняк или известь, боксит. В качестве топлива используют каменноугольную пыль, жидкий мазут, природный или коксовый газ.

Особенности процесса

Процесс производства стали происходит последовательно в три этапа.

Первый этап – расплавление породы. На этапе его проведения формируется расплав в ванне и окисляется металл, отдавая одновременно кислород кремнию, фосфору и марганцу.

Одна и главных задач этого этапа – удаление фосфора. Для ее осуществления требуется сравнительно невысокая температура и присутствие в достаточном количестве FeO. При взаимодействии ингредиентов фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 + P2O5.

Присутствие в шлаке более стойкого основания СаО вызывает замещение FeO. В результате оно связывает фосфорный ангидрит в другое соединение (CaO)4 х P2O5 + 4 Fe, чего и требовалось добиться.

Чистый Fe высвободился в расплаве, а фосфор образовал шлак, который удаляется с зеркала металла и утилизируется за ненадобностью. Поскольку фосфорный ангидрид преобразует состав шлака, процесс должен идти непрерывно.

Поэтому FeO должен непрерывно пополняться за счет загрузки новых партий железной руды и окалины, наводящих в расплаве железистый шлак.

Особенности второго этапа

Технология производства стали на втором этапе называется кипением стали. Основное назначение заключается в процентном снижении содержания углерода за счет окисления. FeO + C = CO + Fe.

Реакция окисления происходит более интенсивно при кипении и сопровождается поглощением тепла. Поэтому необходимо создавать постоянный приток тепла в ванну, а также для выравнивания температуры в расплаве.

При такой реакции окисления интенсивно выделяется газ оксида углерода CO, что вызывает бурное кипение в жидком агрегатном состоянии, по этой причине процесс называют кипением. Чтобы излишки углерода интенсивнее преобразовывались в окись, производство качественной стали предусматривает вдувание чистого кислорода и добавление в расплавленную структуру окалины. Поэтому таким важным является качество сырья для производства стали. Все исходные материалы проходят щепетильную проверку.

Немаловажным на этом этапе является вывод серы, благодаря чему повышается качество конечной стали. Используемая в компонентах сера, присутствует не в прямом виде, а в форме сульфида железа FeS.

При высоких температурах компонент также взаимодействует с оксидом СаО, образуя сульфид кальция CaS, который растворяется в шлаке, не соединяясь с железом. Это позволяет беспрепятственно выводить сульфид за пределы ванны.

Конвертерное производство стали

Раскисление

Третий этап – раскисление металла. После добавления кислорода (на предыдущем этапе) требуется снизить его содержание в чистой стали. Использованием О2 удалось добиться окисления примесей, но его остаточное присутствие в конечном продукте снижает качественные характеристики металла. Требуется удалить или преобразовать окислы FeO, связав кислород с другими металлами.

Для этого существуют два метода раскисления:

При диффузионном методе в расплавленный состав вводят добавки: алюминий, ферромарганец и ферросилиций. Они восстанавливают оксид железа и переводит в шлак. В шлаке оксид распадается и высвобождает чистое железо, которое поступает в расплав. Второй высвободившийся элемент – кислород улетучивается в окружающую среду.

Осаждающий метод предусматривает введение добавок, имеющих большее сродство с кислородом, чем Fe. Происходит замещение этими веществами железа в окисле. Они, как менее плотные, всплывают и выводятся вместе со шлаком.

Процесс раскисления продолжается при затвердевании слитка, в кристаллической структуре которого оксид железа и углерод взаимодействуют. В результате чего вместе с пузырьками азота, водорода он выводится.

Чем больше при раскислении выводится включений различных металлов, тем выше ковкость получаемой стали. Для проверки раскаленный кусок металла подвергают ковке, на нем не должны образовываться трещины. Такая проверка пробы говорит о правильном проведении процесса раскисления.

В зависимости от степени раскисления специалисты могут получить:

• спокойную сталь полного раскисления;
• кипящую раскисленную не полностью сталь, когда процесс выведения пузырьков угарного газа СО продолжается в ковше и изложнице.

Для получения легированных сталей с добавками некоторых металлов в расплавленный металл добавляются ферросплавы или чистые металлы. Если они не окисляются (Ni, Co, Mo), то такие добавки могут вводиться на любом этапе плавки. Более чувствительные к окислению металлы Si, Mn, Cr, Ti добавляют в ковш или, что обычно и происходит, в форму для отливки металла.

Существуют основные способы получения стали в сталеплавлении.

Мартеновский способ

Этот способ применяется для производства сталей высокого качества, применяемых в особо ответственных деталях машинах и точных механизмах.

В свое время он заменил трудоемкие и малопроизводительные тигельную и пулдинговую плавки, применявшиеся ранее.

Емкость загрузки одной отражательной печи, используемой при этом методе, достигает 500 тонн. Особенностью мартеновского способа является возможность переплавки не только передельного чугуна, но и металлургических отходов, металлического лома.

Температура нагрева жидкой стали достигает 2 тыс. градусов. Этот результат достигается специальной конструкцией мартеновской печи:

• применением дополнительного тепла регенераторов, получаемого сжиганием коксовального или доменного газа в струе горячего воздуха;
• отражения от свода закачиваемого газа в результате сгорание топлива в нем происходит над ванной с металлом, что способствует быстрому нагреву содержимого;
• применением реверсирования нагревающего потока.

Мартеновская печь состоит из следующих элементов:

• рабочего пространства с огнеупорной футеровкой стенок и завалочными окнами;
• подины (основания) из магнезитового кирпича;
• свода печи;
• головки печи;
• шлаковика для выведения пыли;
• регенератора с перекидными клапанами.

Процесс плавки занимает от 4 до 12 часов. С целью ускорения процесса плавки объем закачиваемого кислорода превышает потребности, что повышает производительность плавки на 20–30%.

Конвертерный метод

В конверторах выплавляют сорта стали для производства автомобильного листа, инструментальной стали сварных конструкций и других стальных заготовок. По качеству они уступают мартеновскими применяются для изготовления менее ответственных изделий.

В них содержится больше примесей, чем при мартеновском изготовлении. Благодаря высокому объему загрузки одной печи до 900 тонн, способ считается самым производительным, поэтому получил широкое распространение.

Производство стали и другого вида металла этим методом основано на продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом под давлением 0,3–0,35 МПа, при этом металл разогревается до 1600 градусов. Плавка скоротечна и длится до 20 минут. За это время происходит окисление углерода, кремния и марганца, содержащихся в сырье, которые извлекаются из ванны с расплавом шлака.

Конвертер представляет сосуд ретортообразной (грушевидной) формы, состоящий из стальных листов с футеровкой изнутри. Для заливки чугуна и выпуска готовой стали используется одно отверстие, в него также загружается чугун и скрап.

Рождение стали

Особенности процесса

Вместе с ними загружаются шлакообразующие вещества: известь и бокситы. Корпус охвачен опорным кольцом, прикрепленным к поворотным цапфам. С их помощью сосуд наклоняется и через это отверстие – летку выливается готовая сталь. Нижняя продувка осуществляется через сквозные отверстия (фурмы), сделанные в днище печи.

Исторически повелось, что используемый везде способ называется томасовским, бессемеровским. В прошлом веке преобладающим стал мартеновский процесс. Нагрев регенератора осуществляется продувкой печных газов, после чего он нагревается холодный воздух, поступающий на расплав.

В современных конструкциях чаще применяют верхний способ, при котором продувка на огромной скорости осуществляется через опускаемые к поверхности металла сопла. В России преимущественно используется именно верхняя продувка печей.

Находясь под струей воздуха, чугун интенсивно окисляется в зоне контакта. Поскольку его концентрация значительно больше других примесей, преимущественно образуется оксид железа. Но он растворяется в шлаке. Поэтому металл обогащается выделяемым кислородом.

Окисляются C, Cr и Mn, снижая процентное содержание в структуре металла. Окисление сопровождается выделением тепла. Благодаря присутствию шлаков СаО и FeO до разогрева происходит выведение фосфора в самом начале продувки.

Шлак с ним сливается и наводится новый. Производство стали сопровождается экспресс-анализами и контролем текущих изменений приборами контроля, вмонтированных в печь. Содержание фосфора в чугуне не должно превышать 0,075%.

Кислородно-конвертерный способ получения стали

Производство стали сегодня осуществляется в основном этим способом. На долю кислородно-конверторного производства совсем недавно приходилось до 60% мирового производства стали.

Однако, этот процент снижается в связи с появлением электродуговых печей (ЭДП). Продувка печей осуществляется чистым кислородом (99,5%) под высоким давлением.

Продукт кислородно-конвертерной печи представляет сталь с заданными химическими свойствами. Она поступает в машину непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), где материал застывает в форме блюма или плиты. Для получения определенных жестких параметров металл подвергается вторичной переработке.

Электросталеплавильный способ

Производство стали электрической плавкой обладает рядом неоспоримых преимуществ. Этот способ считается основным при выплавке высококачественных легированных сталей.

Достигаемая при этом высокая температура позволяет выплавлять стали, содержащие тугоплавкие металлы:

Высокое качество достигается практическим отсутствием в сталях фосфора, серы и кислорода. Этот способ также применяется для производства широкой номенклатуры строительных сталей.

Выделение тепла не связано с потреблением окислителя, а происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Она выделяется при прохождении электрической дуги или наведения вихревых токов. В зависимости от принципа работы печи подразделяются на электродуговые и индукционные.

Электродуговая печь способна принять одновременно от 3,5 до 270 тонн сырья:

• жидкой стали из конвертеров;
• скрапа;
• железной руды.

Она имеет несколько электродов из графитосодержащего материала, к которым подводится электрическое напряжение. Время плавки составляет до 1,5 часа, при этом температура дуги достигает 6 тыс. градусов.

Особенности электроиндукционных печей

В электроиндукционных печах сталь выплавляют в небольших по объему (4,5–60 тонн) емкостях, именуемых огнеупорными тиглями. Вокруг тигля располагается индуктор, состоящий из большого количества витков провода.

При прохождении переменного тока внутри индуцируются вихревые токи большой силы, вызывающее плавление содержимого тигля. Электромагнитные силы одновременно перемешивают расплав стали. Продолжительность плавки в таких печах не превышает 45 мин.

Электросталеплавильный способ производит мало дыма, пыли и меньше излучает световой энергии. Однако, высокая стоимость электрооборудования при малой вместительности ограничивает применение этого способа.

Помимо рассмотренных вариантов, существуют не только основные способы производства стали. В современном сталеплавлении используется плавка в вакуумных индукционных печах и обогащение процентного содержания железа в окатышах плазменно-дуговым переплавом.

Виды получаемых сталей по химическому составу

Производимая этими методами сталь делится, в зависимости от химического состава, на две большие группы:

Процентное содержание элементов в углеродистой стали:

Применение стали

Использование стали в жизни человека разнообразно и многогранно, порой мы даже не замечаем, что без металла не обходится большинство конструкций, механизмов, деталей и так далее. Сталь – это сплав железа и углерода, отсюда ее прочность и твердость, с которой может справиться только плазменная резка. Наличие хрома, никеля, вольфрама, молибдена позволяют изменять свойства металла, причем от массовой доли углерода или дополнительных металлов зависит и качество производимого продукта.

В родном панельном доме не обойтись без армированных конструкций: железобетон содержит арматурную сталь различного диаметра — проволока в мотках (диаметром до 10 мм) и в прутках длиной 6-12 м (более 10мм в диаметре). Современные технологии позволяют использовать арматурную сталь с минимальным количеством отходов – используется сварка и резка металла для наиболее точного подбора длины. Возможна сварка плоских сеток из более тонкой мотковой стали — так формируют пространственные арматурные конструкции; из этой же стали на месте строительства моделируют всевозможные скобы, хомуты, петли. Поскольку сталь подразделяется также по методу производства, то холоднотянутая – это арматурная проволока низкоуглеродистая B-I, углеродистая В-П, арматурная сталь А-Ш, высокопрочная A-IV, а горячекатаная – пруток класс A-I, A-1I, А-Ш, A-IV.

От фундамента до крыши в доме можно найти металл: металлочерепица – это оцинкованный стальной лист толщиной, от 0,37 до 0,75 мм, шириной 1,18 м, длиной 0,5 – 8 м с нанесением специальных покрытий и красок. Кстати по внешнему виду можно определить качество: чем круче волна, тем прочнее изделие. Можно для кровли использовать и листовую сталь, однако куда удобнее ее применение для автоматических ворот, где плазменная резка металла поможет нанести неповторимый рисунок, а может быть и фамильный герб. Металлические лестницы, козырьки, ступени, перила, оградки, навесы, всевозможные профили, балки и многое другое — это все сталь.

Ни один дом не будет собран без гвоздя, гайки, болта, ни одна машина не поедет без подшипников и рессор. Все это изделия из автоматной стали, используемой для производства деталей в строительстве, тракторной, автомобильной и машиностроительной промышленности при помощи штамповки и резания автоматным способом АС11, АС40 А12, А20 АЦ45Г2, АСЦ30ХМ, АС20ХГНМ. Кстати, рессорные пружины также изготавливают из специальных марок: сталь 65 — 85, 65Г, 70Г, 55С2, 60С2, 60С2Г, 50ХГ конструкционных рессорно-пружинных сталей (ГОСТ 14959-79), которые упрочняют закалкой, способных выдержать высокое сопротивление при малых деформациях. Для отпуска пружин необходимой длины используется плазменная резка металла. Эти стали дополнительно легируют хромом, марганцем, вольфрамом, никелем или кремнием, что и позволяет придать металлу вышеперечисленные свойства. Сталь марки ШХ15, ШХ15СГ со свойствами контактной выносливости, твердости и прочности используется в производстве шарикоподшипников. Охлаждение деталей перед отпуском обеспечивает повышенную стабильность и увеличивает срок годности изделия.

Однако и обработка стали происходит при помощи стали – из нее изготавливаются все высококачественные колюще-режущие предметы и производится резка металла. Существуют специальные марки стали повышенной твердости: углеродистые, низкоуглеродистые, легированные и быстрорежущие. Углеродистые стали (ГОСТ 1435-74) имеют малый температурный диапазон, страдают от перегрева — используются в малоответственном инструментарии: сталь марки У7, У7А в производстве зубил, ножниц по металлу, плоскогубцев, клещей и прочего инструментария. Легированные стали (ГОСТ 5950-2000) имеют средний температурный диапазон, при нагревании не теряют своих свойств, обладают достаточной износостойкостью; так из сталей марок ХВГ, 9ХВГ производят режущий и измерительный инструмент, матрицы и лекала для многоразовой штамповки, специализированный точный инструментарий. Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73) относятся к самым прочным, износостойким, твердым, с большим температурным диапазоном, не подвержены деформации Р6М5, Р6М5К5, Р18, Р18Ф2. Используются для точных режущих инструментов (фрез, ножей, сверл, метчиков) в том числе и в сталепрокатном цеху.

Современные технологии почти полностью зависят от электропитания, где в производстве дросселей, трансформаторов и генераторов применяют электротехническую сталь (ГОСТ 11036-75) марок 20832, 11832, 21832, 10848, 20848, обладающих магнитными свойствами содержащую различную массовую часть кремния. Специальные технологии обработки позволяют получить заданный уровень магнитных свойств в каждом конкретном случае, причем плазменная резка никоим образом не изменяет свойства металла. Характеристики этих сталей: изотропность — разница магнитных свойств в продольном и поперечном направлении, магнитная индукция – чем она выше, там меньше размер магнитопровода.

Однако машиностроение это не только режущий материал, а и непосредственно станки, краны, вагоны, производственные металлоконструкции, конечно же, состоящие из металла – конструкционной стали, обладающей высокой прочностью к давлению, плавлению, растрескиванию и погодным условиям. В частности высоколегированные стали 14ХН4А, 38Х2Н5М, 20ХН3А используют для наиболее тяжелонагружаемых деталей машин (не стоит забывать, что легирование – закалка позволяет увеличить прочность стали). Для теплоустановок, паровых котлов применяют теплоустойчивые марки 12К, 15К, 18К, 20К. В противовес этому для холодильных установок применяют криогенные марки сталей ОН6А, ОН9А, невосприимчивые к низким температурам с пониженной хрупкостью и ломкостью, в основном этот низкоуглеродные никелевые стали с высокой коррозионнойстойкостью. Также в емкостях из сталей данных марок хранят и сжиженные газы, находящиеся в температурном пределе до 180-195°С. Эти виды сталей относятся к высокоспециализированным, однако плазменная резка позволяет избежать растрескивания и разрушения металла.

Изделия из стали необходимы и в быту: разнообразие кухонной утвари – ножей, ножниц, овощечисток, терок поражает. Кроме режущих инструментов все большую популярность приобретает посуда (кастрюли, чайники, кружки) из нержавеющей стали. В данном случае применяется коррозионностойкая легированная сталь, с содержанием хрома 17-20%, например марки 12Х18Н9. Принадлежит к высококачественным холоднокатаным сталям (ГОСТ 27002-86), технологии позволяют сделать матовые и глянцевые поверхности, одно и двухслойные емкости. Резка металла далеко не домашнее занятие, что совсем не относится к заточке – новое чудо технологий – самозатачивающиеся ножи – это опять-таки пример использования стали. Продолжать можно очень долго, так как область применения данного металла безгранична.